ANSYS_MPC方法连接shell单元和beam单元_详细教程

ANSYS各类型单元连接专题讲解（一）之连接总则一直以来，有不少同学咨询水哥关于ANSYS中杆单元、梁单元、壳单元、实体单元的连接问题。

之所以要用到各单元的连接，主要是由于我们在实际项目中，常常需要各种单元组合模拟，例如框架结构计算中的框架柱、框架梁采用梁单元模拟，楼板采用壳单元模拟，如此便会产生各类型单元之间的连接问题。

为解决部分朋友们的疑问，水哥依自己的理解将从以下几个方面系统讲解下ANSYS中杆单元、梁单元、壳单元、实体单元的连接，其中若有不合理之处，还望各位朋友批评指正。

本系列讲解目录如下：1、单元连接总原则。

2、杆与梁、壳、体单元的连接。

3、梁单元与实体单元铰接。

4、2D梁单元与2D实体单元刚接。

5、3D梁单元与3D实体单元刚接。

6、壳单元与实体单元连接。

7、单元连接综合实例。

本篇推文为该系列文章的首篇，主要说下ANSYS中单元连接总的原则以及简单介绍两个概念。

一般来说，按“杆梁壳体”单元顺序，只要后一种单元的自由度完全包含前一种单元的自由度，则只要有公共节点即可，不需要约束方程，否则需要耦合自由度与约束方程。

例如：（1）杆与梁、壳、体单元有公共节点即可，不需要约束方程。

（2）梁与壳有公共节点即可，也不需要约束写约束方程；壳梁自由度数目相同，自由度也相同，尽管壳的rotz是虚的自由度，也不妨碍二者之间的关系，这有点类同于梁与杆的关系。

（3）梁与体则要在相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

（4）壳与体则也要相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。

从上述也可见，ANSYS无非是通过三种方法来实现单元之间的连接：共用节点、耦合、约束方程。

这里简单介绍下耦合与约束方程的基本概念。

一、耦合所谓耦合，其实是一种比较特殊的约束方程，只不过为了区别于普通一般的约束方程，方便用户操作，特定提出来的一个概念。

他具体指当我们需要迫使两个或多个自由度取得相同值（值未知）时，可以将这类自由耦合在一起。

问题：如下图所示block单元和beam单元如何连接在一起？例子：FINI/CLE/FILNAME,BEAM_AND_SOLID_ELEMENTS_CONNECTION !定义工作文件名/TITLE,COUPLE_AND_CONSTRAINT_EQUATION !定义工作名/PREP7ET,1,SOLID95 !定义实体单元类型为SOLID95ET,2,BEAM4 !定义梁单元类型为BEAM4MP,EX,1,3E4 !定义材料的弹性模量MP,PRXY,1,0.3 !定义泊松比R,1 !定义实体单元实常数R,2,10.0,10/12.0,1000/12.0,10.0,1.0 !定义梁单元实常数BLC4,,,20,7,10 !创建矩形块为实体模型WPOFFS,0,3.5 !将工作平面向Y方向移动3.5WPROTA,0,90 !将工作平面绕X轴旋转90度VSBW,ALL !将实体沿工作平面剖开WPOFFS,0,5 !将工作平面向Y方向移动5WPROTA,0,90 !将工作平面绕X轴旋转90度VSBW,ALL !将实体沿工作平面剖开WPCSYS,-1 !将工作平面设为与总体笛卡儿坐标一致K,100,20,3.5,5 !创建关键点K,101,120,3.5,5 !创建关键点L,100,101 !连接关键点生成梁的线实体LSEL,S,LOC,X,21,130 !选择梁线LATT,1,2,2 !指定梁的单元属性LESIZE,ALL,,,10 !指定梁上的单元份数LMESH,ALL !划分梁单元VSEL,ALL !选择所有实体VATT,1,1,1 !设置实体的单元属性ESIZE,1 !指定实体单元尺寸MSHAPE,0,2D !设置实体单元为2DMSHKEY,1 !设置为映射网格划分方法VMESH,ALL !划分实体单元ALLS !全选FINI !退出前处理/SOLU !进入求解器ASEL,S,LOC,X,0 !选择实体的端面DA,ALL,ALL !约束实体端面ALLS !全选FK,101,FY,-3.0 !在两端施加Y向压力CP,1,UX,1,21 !耦合节点1和节点21X方向自由度CP,2,UY,1,21 !耦合节点1和节点21Y方向自由度CP,3,UZ,1,21 !耦合节点1和节点21Z方向自由度CE,1,0,626,UX,1,2328,UX,-1,1,ROTY,-ABS(NZ(626)-NZ(2328)) !设置约束方程CE,2,0,67,UX,1,4283,UX,-1,1,ROTZ,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !设置约束方程CE,3,0,67,UZ,1,4283,UZ,-1,1,ROTX,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !设置约束方程ALLS !全选SOLVE !保存FINI !退出求解器/POST1 !进入通用后处理PLNSOL, U,Y, 0,1.0 !显示Y方向位移PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !显示等效应力ETABLE,ZL1,SMISC,1 !读取梁单元上I节点X方向的力ETABLE,ZL2,SMISC,7 !读取梁单元上J节点X方向的力ETABLE,MZ1,SMISC,6 !读取梁单元上I节点Z方向的力矩ETABLE,MZ2,SMISC,12 !读取梁单元上J节点Z方向的力矩PLETAB,ZL1 !显示梁单元X方向的力PLETAB,MZ1 !显示梁单元Z方向力矩。

《有限元程序设计》课程作业题目：MPC在solid和shell单元连接处应用2015年6月4日MPC在solid和shell单元连接处应用本人利用ANSYS15.0软件进行练习学习此方法。

一、建立模型模型包含一个薄圆柱桶和一个正方体底座。

圆柱桶的半径为2.5mm，高为5mm；正方体的边长为5mm。

建立模型如下。

二、划分单元在Element >Add/Edit/Delete里，创建四类单元类型,结果如下图，分别为实体单元SOLID95、壳单元SHELL63、实体连接单元TARGE170、壳体连接单元CONTA175。

CONTA175单元选项里,K2选择MPC算法,设置图如下。

在Material Props> Material Models里,设定单元的杨氏模量为2e11；泊松比为0.3；在Real Constants>Add/Edit/Delete里,SHELL63单元的厚设为0.5。

通过Meshing>MeshTool里，分别对为实体座和薄圆柱划分网格，为了便于计算，单元边长设为1，结果如图所示。

三、处理连接部位选择实体座的接触界面，并设置面上单元属性为TARGE170类型；选择壳体的接触线，并设置单元属性为CONTA175类型。

然后选择以上单元，在Main Menu>Preprocessor>Modeling>Creat>Contact Pair 中，创建一个接触对。

四、施加约束在Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Areas，给实体座底部（视图里最左边的面）施加位移约束，位移为0。

Solution>Define Loads>Apply>Structural>Pressure>On Lines，在壳体自由端面上，施加1e6 N的压力。

问题：如下图所示的网格，其左右的密度不同，怎么连接在一起呢？先看例子吧。

fini/clear,nostart/prep7et,1,63r,1,0.1mp,prxy,1,0.3mp,ex,1,2e10 !以上为定义材料，单元类型rect,0,1,0,0.4rect,1,2,0,0.4 !建立两个矩形模型aesize,1,0.1aesize,2,0.05amesh,all !划分网格asel,s,,,2 !选择编号为2的面esla !选择此面上的单元nsle !选择单元上的所有节点nsel,r,loc,x,1-1e-6,1+1e-6!在刚才选取的节点中选择1-1e-6和1+1e-6之间的节点。

!也就是疏密网格交界处的节点。

注意，选择的是网格比较密的!那一侧的面上的节点。

因为一会要把这些节点和左侧面上的单!元连接在一起。

cm,node_temp,node !给这些节点起个名字，以备后用。

alls, !全选asel,s,,,1 !选择左侧的网格较疏的面esla !选择此面上的单元nsle !选择单元上的所有节点nsel,r,loc,x,1-1e-6,1+1e-6 !同上注释。

esln,r !选择贴附在以上节点上的单元。

cm,elem_temp,elem ! 给这些单元起个名字，以备后用。

alls,nsel,noneesel,none !在开始连接操作之前，不要选中任何节点和单元cmsel,s,elem_tempcmsel,s,node_temp !选中刚才定义的单元集合和节点集合。

ceintf,0.25,all !仅此一句命令即搞定了疏密网格之间的接合。

此命令可以在接合面处生成约束方程。

All代表全部自由度。

alls,/solulsel,s,,,4nsll,s,1d,all,all !定义边界条件lsel,s,,,6nsll,s,1d,all,uz,0.01 !定义边界条件alls,solve !求解之。

问题：如下图所示block单元和beam单元如何连接在一起？先看例子：FINI/CLE/FILNAME,BEAM_AND_SOLID_ELEMENTS_CONNECTION !定义工作文件名/TITLE,COUPLE_AND_CONSTRAINT_EQUATION !定义工作名/PREP7ET,1,SOLID95 !定义实体单元类型为SOLID95ET,2,BEAM4 !定义梁单元类型为BEAM4MP,EX,1,3E4 !定义材料的弹性模量MP,PRXY,1,0.3 !定义泊松比R,1 !定义实体单元实常数R,2,10.0,10/12.0,1000/12.0,10.0,1.0 !定义梁单元实常数BLC4,,,20,7,10 !创建矩形块为实体模型WPOFFS,0,3.5 !将工作平面向Y方向移动3.5WPROTA,0,90 !将工作平面绕X轴旋转90度VSBW,ALL !将实体沿工作平面剖开WPOFFS,0,5 !将工作平面向Y方向移动5WPROTA,0,90 !将工作平面绕X轴旋转90度VSBW,ALL !将实体沿工作平面剖开WPCSYS,-1 !将工作平面设为与总体笛卡儿坐标一致K,100,20,3.5,5 !创建关键点K,101,120,3.5,5 !创建关键点L,100,101 !连接关键点生成梁的线实体LSEL,S,LOC,X,21,130 !选择梁线LATT,1,2,2 !指定梁的单元属性LESIZE,ALL,,,10 !指定梁上的单元份数LMESH,ALL !划分梁单元VSEL,ALL !选择所有实体VATT,1,1,1 !设置实体的单元属性ESIZE,1 !指定实体单元尺寸MSHAPE,0,2D !设置实体单元为2DMSHKEY,1 !设置为映射网格划分方法VMESH,ALL !划分实体单元ALLS !全选FINI !退出前处理/SOLU !进入求解器ASEL,S,LOC,X,0 !选择实体的端面DA,ALL,ALL !约束实体端面ALLS !全选FK,101,FY,-3.0 !在两端施加Y向压力CP,1,UX,1,21 !耦合节点1和节点21X方向自由度CP,2,UY,1,21 !耦合节点1和节点21Y方向自由度CP,3,UZ,1,21 !耦合节点1和节点21Z方向自由度CE,1,0,626,UX,1,2328,UX,-1,1,ROTY,-ABS(NZ(626)-NZ(2328)) !设置约束方程CE,2,0,67,UX,1,4283,UX,-1,1,ROTZ,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !设置约束方程CE,3,0,67,UZ,1,4283,UZ,-1,1,ROTX,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !设置约束方程ALLS !全选SOLVE !保存FINI !退出求解器/POST1 !进入通用后处理PLNSOL, U,Y, 0,1.0 !显示Y方向位移PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !显示等效应力ETABLE,ZL1,SMISC,1 !读取梁单元上I节点X方向的力ETABLE,ZL2,SMISC,7 !读取梁单元上J节点X方向的力ETABLE,MZ1,SMISC,6 !读取梁单元上I节点Z方向的力矩ETABLE,MZ2,SMISC,12 !读取梁单元上J节点Z方向的力矩PLETAB,ZL1 !显示梁单元X方向的力PLETAB,MZ1 !显示梁单元Z方向力矩ansys中联系自由度的方法(CE)——耦合和约束方程CE命令1 耦合当需要迫使两个或多个自由度取得相同（但未知）值，可以将这些自由度耦合在一起。

Q:用板壳元shell63单元建模时,如下图示,两个平面互相垂直,如何使这两个平面保持为一个整体来受力.因为实际结构中,比如一个由钢板焊成的箱梁,内有加劲隔板,如何模拟.由于这两个面没有公共边,用了粘贴及搭接都不行,试问怎样简单实现整体性这一目的.A:分网时控制单元长度，使面与面之间有重合节点或相邻节点，然后使用Merge Items或Adjacent Regions节点既可把面与面给“焊起来”。

Adjacent Regions命令时，必须先将一个区域的节点和相邻区域的单元选择好，再自动生成约束方程，是这样的吗，对整体计算的精度应有保证吧Adjacent Regions命令的使用确如楼上所说，但对整体计算精度能否保证就不好妄加评论了。

其实我认为SHELL63单元连接的方法是多种多样的，如何选择关键在于快捷，准确。

当同位置的结点难以实现，Adjacent Regions命令又较困难时，那么还有相邻节点重合（Coincident Nodes），只要知道要求重合节点的距离容差就行了Q:请教ansys中梁壳两种单元一起建模时遇到的问题。

我分析了一个地下结构，楼板用shell63单元。

立柱用BEAM4单元。

结果出现的问题好奇怪，说单元1没有定义材料类型。

其实不是的。

后来我建了一个简单的模型，还是同样的问题。

我非常不解。

我把模型发了上来，哪位好心人能否帮我诊断一下。

谢谢了。

A:/prep7et,1,shell63mp,ex,1,3e10mp,prxy,1,0.2mp,dens,1,2500keyopt,1,3,2!梁壳一起建模时必须要考虑shell中面的转动刚度r,1,1et,2,beam4mp,ex,2,3e10mp,prxy,2,0.2mp,dens,2,2500r,2,0.785,0.049,0.049,1,1,,,0.098,,,,k,1,0,0,10k,2,0,0,0k,3,10,0,0k,4,10,0,10a,1,2,3,4k,9,0,-5,10k,10,0,-5,0k,11,10,-5,0k,12,10,-5,10a,9,10,11,12!a,1,9,12,4wplane,100,0,0,0,10,0,0,0,10,0 csys,4*do,i,1,4,1wpave,0,0,2asbw,all*enddowplane,100,0,0,0,0,0,-10,0,10,0 csys,wp*do,i,1,4,1wpave,0,0,2asbw,all*enddonummrg,allnumcmp,allcsys,0!恢复原始的坐标系l,64,65lsel,s,,,27lesize,all,1latt,2,2,2lmesh,allallselaatt,1,1,1mshkey,0mshape,0esize,2amesh,allallselnummrg,allnumcmp,allallselnsel,s,loc,y,-5d,all,allallselasel,s,loc,y,0sfa,all,,pres,57e3allsel/soluantype,staticsolvefinish我把模型发了上来，出现的错误真是令人匪夷所思。

利用MPC技术对solid-shell单元进行连接实例----------简支梁一、问题描述⨯表面上作用有大小为1MPa的压力，两端φ150圆柱面为支撑表面，梁的尺寸如下图所示，在梁的2000300分析其应力和变形情况。

由于梁的形状和载荷都对称于梁跨度中点处横截面，分析时可取梁长度的一半。

二、步骤分析1.选择单元类型通过Preprocessor>Element Typle>Add/Edit/Delete出现如图1-1左所示对话框，单击Add；弹出如图1-1右所示对话框，在左侧列表中选“Structural Solid”，在右侧列表中选”Brick 20node 95”，然后单击Apply按钮；再在左侧列表中选“Structural Shell”，在右侧列表中选”Elastic 4node 63”，然后单击Apply按钮；再在左侧列表中选“Contact”，在右侧列表中选”3D target 170”，然后单击Apply按钮；再在左侧列表中选“Contact”，在右侧列表中选”pt-to-surf175”，单击OK按钮。

返回到”Eiement type”对话框，在列表中选择”Type3TARGET170”，单击option按钮，弹出1-1右对话框，选择K5为”SLD/SLD”（SLD/SLD约束），单击OK按钮；在列表中选择”Type4CONTA175”单击option按钮，弹出1-2对话框，选择K2为” MPCalgorithm”（MPC算法），选择K12为”Bonded（always）”（接触面行为为绑定）单击OK按钮，单击”Element type”对话框的close按钮。

图1-1图1-22.定义实常数通过Preprocessor>Material Props> Material Models,弹出Real Constants对话框，单击Add按钮，弹出如图2-1左所示对话框，选择Type2SHELL 163，单击OK按钮，弹出如图2-1右所示对话框，在TK（I）文本框中输入0.02，单击OK按钮，于是定义了实常数1。